Под капотом у опытного образца был установлен экспериментальный карбюраторный V6 рабочим объемом 5,2 л, мощностью 135 л.с.

ЗиЛ-130: первый опытный образец

Однако этот мотор остался в единственном экземпляре, и на следующий прототип, изготовленный в 1957 году, поставили форсированный до 140-сильной мощности вариант двигателя, стоявшего на ЗиЛ-150 и ведущего своё происхождение от мотора ЗиС-5. Уже в ходе заводских испытаний выяснилось, что перефорсированный двигатель часто перегревается, и машину решили снабдить новым мотором. Искать его долго не пришлось – в те времена ЗиЛ осваивал производство правительственного лимузина ЗиЛ-111 и микроавтобуса ЗиЛ-118. При 100-миллиметровом диаметре цилиндра и 95-миллиметровом ходе поршня его рабочий объём составлял 5,969 литра. Конечно, двигатель, работавший на 95 бензине, для грузовика оказался бы неприемлемым, но ему уменьшили степень сжатия до 6,5-кратного значения, что позволило мотору развивать 150-сильную мощность вместо 220-сильной у ЗиЛ-111 .

ЗиЛ-130: один из ранних опытных образов

Благодаря своей V-образности, восьмицилиндровый двигатель оказался короче чем шестицилиндровый, ставившийся на машины-предшественники, а благодаря короткому двигателю и сдвинутой вперед кабине платформа автомобиля ЗиЛ-130 получилась большей, чем у ЗиЛ-164, несмотря на более короткую базу. Объем кузова ЗиЛ-130 составил 5,10 кубических метра, тогда как у ЗиЛ-164 он был равен 4,65 куб. м.
Конструкторы нового автомобиля уде лили большое внимание созданию возможно лучших условий труда для водителя. Кабина имеет ширину на уровне плеч, равную 1625 мм, что на 120 мм больше, чем кабина ЗиЛ-164. Это было важно для удобной посадки. Даже зимой, когда шофер в теплой одежде, трезвые пассажиры не мешали ему управлять автомобилем.
В рулевое управление ввели гидроусилитель. Шофёр, крутя руль, стал перемещать не тяжелые колеса, а маленький золотник, распределяющий масло. Гидравлика сделала водителя в несколько раз сильнее и повысила безопасность движения. Разрыв шины переднего колеса может бросить обычный автомобиль в кювет, а ЗиЛ-130 в таком случае легко удержать на дороге. В случае обрыва ремня привода масляного насоса или выхода из его строя движение можно было продолжить, с приложением к рулю более значительных усилий.
По сравнению с предшественниками грузовик стал таким комфортабельным. Просторная кабина, мягкие сиденья, панорамное лобовое стекло, удобно расположенные приборы. Кабина хорошо отапливалась, а для вентиляции в крышке прорезаны люки. Правда, водители жаловались на то, что переднее стекло перестало быть ветровым, а стало просто лобовым. Если у прежних грузовиков оно было открываемым, то теперь оно жёстко крепилось к кабине.
Погрузочная высота кузова ЗиЛ-130 составляла 1300–1400 мм, что было идентично расположению уровня пола железнодорожного вагона, это позволяет производить перевалку грузов без использования погрузочных рамп на складах.

ЗиЛ-164А

Первая партия автомобилей в количестве пяти штук была изготовлена в сентябре 1962 года. Облицовка радиатора изменилась ещё раз и стала напоминать забрало хоккейного вратаря. Для опытной эксплуатации грузовики были направлены на Ярославский шинный завод. Тем не менее, запустить новый ЗИЛ в серию долго не удавалось – для производства кабины потребовался монтаж нового оборудования, который занял ещё два года. Понадобилось новое оборудование и для производства новых силовых агрегатов. Была высока вероятность, что переоборудование завода затянется и на более долгое время, и поэтому в качестве временной меры в серию запустили модель ЗиЛ-164А. Внешне он ничем не отличался 164-го, но всё, кроме двигателя и кабины, в нём было от 130-го. Лишь с 1 октября 1964 года начался полномасштабный серийный выпуск автомобиля ЗиЛ-130.

Самосвал ЗИЛ-ММЗ-555

В неизменном виде он продержался на конвейере до 1976 года. К этому времени по всем планам его должен был сменить ЗиЛ-170 с дизельным двигателем и бескапотной компоновкой. Однако то, что должно было сталь 170-м ЗиЛом, стало КамАЗом, а завод имени Лихачёва так и остался со старой моделью. Тогда ЗиЛ-130 решили немного модернизировать. Прежде всего, заводчане добились увеличения грузоподъёмности с пяти до шести тонн. Улучшена была и система водяных каналов в головках цилиндров. Вместо поршней с конусообразной юбкой теперь устанавливались поршни с П-образными прорезями и бочкообразной юбкой. Это обеспечило более правильную геометрию поршня при нагреве.
В конструкцию коробки передач были введены замки, предохраняющие шестерни от самовыключения при движении внатяг и накатом. Увеличен был предварительный натяг подшипников ведущей конической шестерни главной передачи. Конструктивно иными стали отдельные детали подвески автомобиля.
Изменениям подверглась облицовка радиатора. Кроме того, фары и подфарники поменялись местами: если на опытных образцах фары были сверху, а подфарники снизу, то на серийных машинах подфарники стали располагаться над фарами. Сами же подфарники стали двухцветными – бело-оранжевыми. Модернизированный вариант стал называться ЗиЛ-130-76.

На этом фото хорошо видны внешние различия ЗиЛ-130 (слева) и ЗиЛ-130-76 (справа).

Надо сказать, что двигателисты не всегда успевали за сборщиками, и из-за нехватки родного двигателя, который ставился также и на автобусы ЛАЗ-695, на часть тиража ЗиЛ-130, начиная с 1974 года, иногда ставили шестицилиндровый рядный двигатель от ЗиЛ-157. Бортовой грузовик с таким двигателем обозначался ЗиЛ-130АН, а самосвал обозначали как ЗиЛ-130К. Диаметр цилиндра у этого двигателя был уменьшен со 101,6 до 100 мм, чтобы сделать поршни взаимозаменяемыми с поршнями двигателя ЗиЛ-130.  Ход поршня остался прежним. Рабочий объём упал с 5560 до 5386 куб. см, а мощность сократилась со 110 до 104 л.с. Иногда, правда, ставили и обычные двигатели с 101,6-миллиметровми цилиндрами.